Содержание к диссертации
Введение
Условные обозначения, часто встречающиеся в тексте 17
1. Анализ состояния проблемы. Цель и задачи иссле дований 20
1.1. Обзор и анализ изученности формирования тектонических структур горных массивов золоторудных месторождений 20
1.2. Особенности разработки золоторудных месторождений и проблемы управления геомеханическими процессами на подземных рудниках 26
1.3. Обзор и анализ изученности геомеханических процессов и методов управления ими
1.3.1. Анализ изученности сдвижения пород и земной поверхности 31
1.3.2. Анализ изученности горного давления 35
1.3.3. Анализ изученности горных ударов 47
Цель и задачи исследований 52
2. Горно-геологические и геомеханические условия золоторудных месторождений 55
2.1. Геологические характеристики и сведения о разработке месторождений 55
2.2. Физико-механические свойства горных пород 70
2.3. Первоначальные напряжения массивов горных пород 79
Выводы 91
3. Закономерности формирования тектонических структур горного массива и прогноз его геомеха нического состояния 93
3.1. Концептуальная основа исследований з Стр.
3.2. Методы изучения формирования тектонических структур 98
3.3. Закономерности формирования структур безрудной тектоники .. 108
3.4. Закономерности формирования структур рудной тектоники 117
3.5. Прогноз геомеханического состояния горных массивов 126
Выводы 130
4. Методы управления геомеханическими процессами в средненапряженых зонах горного массива 133
4.1. Управление сдвижением горных массивов и земной поверхности 133
4.1.1. Общие сведения 133
4.1.2. Разработка классификации золоторудных залежей по условиям залегания и составу толщи вмещающих пород 133
4.1.3. Прогнозирование параметров процесса сдвижения горных пород 140
4.1.4. Меры охраны и условия безопасной подработки зданий, сооружений и природных объектов 154
4.2. Управление горным давлением 167
4.2.1. Крепление горных выработок и очистных камер в условиях тектонической нарушенности массива 167
4.2.2. Метод определения устойчивых целиков при разработке крутопадающих месторождений малой и средней мощности 174
4.2.3. Метод определения размеров устойчивых целиков при разработке мощных залежей 188
Выводы 202 стр.
5. Методы управления геомеханическими процессами в высоконапряженных зонах горного массива 205
5.1. Замена рудных целиков искусственными 205
5.2. Разгрузка целиков
5.2.1. Разгрузка целиков камуфлетными взрыванием скважин 211
5.2.2. Разгрузка потолочин камер щелями 213
5.3. Разработка технологических схем ведения очистных работ с податливыми целиками 224
5.3.1. Технология очистных работ при нисходящей отработке с податливыми целиками 224
5.3.2. Технология очистных работ при восходящей отработке с податливыми целиками 227
Выводы 229
6. Изыскание рациональных способов погашения подземных пустот 231
6.1. Классификация и оценка степени опасности пустот 231
6.2. Обоснование применимости способов погашения пустот 234
6.3. Основные аэродинамические характеристики при развитии процесса обрушения 253
Выводы 257
7. Промышленная проверка и внедрение результатов исследований на золотодобывающих рудниках... 259
7.1. Проверка и реализация результатов исследований процессов сдвижения горных пород и земной поверхности 259
7.2. Проверка и реализация результатов исследований горногодавления 268
7.3. Проверка и реализация результатов исследований динамических проявлений горного давления 276
7.4. Внедрение рациональных способов погашения подземных пустот 282
Выводы 287
Заключение 290
Список использованных источников 293
- Особенности разработки золоторудных месторождений и проблемы управления геомеханическими процессами на подземных рудниках
- Физико-механические свойства горных пород
- Закономерности формирования структур безрудной тектоники
- Меры охраны и условия безопасной подработки зданий, сооружений и природных объектов
Введение к работе
Актуальность работы. Золоторудные месторождения имеют ряд особенностей: сложное геологическое строение, тектоническую нарушенность, разнообразие условий залегания рудных тел и физико-механических свойств пород, наличие в горных массивах высоких гравитационо-тектонических напряжений. Дополнительные проблемы создает многогоризонтная и выборочная выемка руды из-за крайне неравномерного распределения запасов в недрах. Все это существенно влияет на устойчивость подрабатываемых массивов и земной поверхности, напряженное состояние целиков и обнажений выемочных камер. Глубина горных работ золоторудных месторождений изменяется в широких пределах от 100 до 800 м и более. Сохраняется тенденция к дальнейшему увеличению глубины разработки.
При разработке месторождений происходит последовательное накопление подземных пустот. Возникают опасные проявления сдвижения пород, роста горного давления с возможностью возникновения горных ударов. При этом в зону сдвижения на земной поверхности попадают здания и сооружения, разрушается кровля выработок и очистных камер, обрушаются целики, что приводит к снижению безопасности горных работ, дополнительным затратам на проведение и крепление выработок, увеличению потерь полезного ископаемого и разу боживания руды. Эти негативные явления являются следствием недостаточно надежных методов прогноза геомеханического состояния горного массива, расчета конструктивных элементов систем разработки и обоснования эффективности управления геомеханическими процессами. Существующие методы прогноза и управления ими не в полной мере учитывают тектоническую нарушенность горного массива и, как правило, базируются на традиционной классической основе, построенной на механике сплошной среды. Требуется новый подход к реализации идей и методологии эффективной отработки золоторудных месторождений полезных ископаемых. Назрела актуальная необходимость создания методов прогнозирования геомеханических условий разработки месторождений на основе изучения закономерностей формирования структур тектоники, как ключевых факторов, определяющих распределение горного давления. Такой подход позволяет уточнить и усовершенствовать способы управления геомеханическими процессами.
Настоящая работа посвящена решению важных задач проблемы управления геомеханическими процессами на подземных золотодобывающих рудниках на основе исследований формирования структур тектоники горных массивов с позиций синергетики и фрактального анализа.
Цель работы - изучение закономерностей распределения давления в горном массиве и обоснование методов управления геомеханическими процес-
сами, обеспечивающими повышение безопасности и эффективности разработки золоторудных месторождений подземным способом, снижение уровня потерь полезного ископаемого при рациональном использовании недр.
Основная идея работы состоит в использовании закономерностей распределения напряжений в горном массиве для обоснования эффективных методов и способов управления геомеханическими процессами при разработке золоторудных месторождений.
Объект исследований - тектонические структуры коренных золоторудных месторождений, разрабатываемых подземным способом, природные и техногенные поля напряжений горных пород.
Предмет исследований - напряжения в массиве горных пород, конструктивных элементах систем разработки с учетом горно-геологических особенностей золоторудных месторождений и технологией ведения горных работ.
Задачи исследований:
-
Анализ особенностей горно-геологических, горнотехнических и геомеханических условий разработки золоторудных месторождений.
-
Исследование закономерностей распределения давления в элементах тектоники горных пород в целях прогнозирования геомеханического состояния горного массива.
-
Разработка эффективных методов управления геомеханическими процессами в горном массиве с учетом закономерностей его тектонической нарушенное при разработке золоторудных месторождений.
-
Научное обоснование и разработка рациональных методов погашения подземных пустот, исключающих рост горного давления и возникновение горных ударов, обеспечивающих безопасность отработки недр.
-
Внедрение предлагаемые методы управления геомеханическими процессами на основных золотодобывающих предприятиях России.
Методы исследований. В работе использованы комплексные исследования, включающие: научный анализ и обобщение накопленного опыта; графоаналитические исследования элементов тектоники; теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния горных выработок и целиков с применением методов фотоупругого и математического моделирования; промышленные эксперименты по исследованию напряженно-деформированного состояния массива и конструктивных элементов систем разработки; опытно-промышленная проверка разработанных методов управления процессами сдвижения, горного давления и горных ударов.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Горный массив подвержен неравномерному распределению природных полей напряжений. Установлено, что система распределения интенсивности
напряжений иерархична и обладает свойствами самоподобия (фрактальности), выявлены закономерности формирования тектонических нарушений и дискретный характер распределения горного давления в локальных объемах пород, что создает принципиально разные геомеханические условия для проведения и поддержания горных выработок.
-
Закономерности пространственного распределения безрудной и рудной тектоники позволяют прогнозировать геомеханические условия ведения горных работ по величине коэффициента масштабного подобия между элементами смежных уровней структур, который по физической сущности отражает скорость фрактального роста или масштабного расширения тектонических структур. Изменение его значений в пределах от 1,6 до 1,9 соответствует среднена-пряженной зоне, значения коэффициента в пределах 2,2-2,5 характеризуют высоконапряженные зоны горных пород.
-
В средиенапряженных зонах горного массива разработку золоторудных месторождений следует осуществлять с учетом отдельных плоскостей ослабления пород тектоническими трещинами и нарушениями. При этом оценку напряженного состояния элементов систем разработки и выбор их конструктивных параметров рекомендуется производить на основе решения геомеханических задач для упругой среды с учетом локальности выемочных пространств, обусловленной крайне неравномерным распределением запасов в недрах.
-
При разработке золоторудных месторождений малой и средней мощности в условиях высоконапряженных зон разгрузка пород от опасных напряжений может быть обеспечена за счет перемещения этих зон в менее ответственные и более устойчивые участки массива пород посредством создания элементов искусственной податливости - разгрузочных щелей, возведения податливых целиков и т.д.
-
Способы погашения целиков и образующихся пустот при ведении горных работ зависят от выявленных закономерностей распределения горного давления, напряженности конструктивных элементов систем разработки, фактора времени и скорости движения воздушного потока при опасности внезапных обрушений пород.
Достоверность научных положений обуславливается соответствием физических и математических моделей реальному состоянию массива горных пород, сходимостью результатов исследований (лабораторных, аналитических и натурных) и внедрением их результатов в промышленных масштабах. Коэффициент корреляции между результатами теоретических исследований, лабораторных и промышленных экспериментов составляет 0.8-0.9.
Научная новизна диссертации:
-
Выявлены закономерности распределения напряжений в массиве горных пород на основе изучения тектонических структур 7 золоторудных месторождений Забайкалья, Сибири, Урала и Узбекистана. Установлено, что распределение напряжений носит дискретный характер со средне- и высоконапряженными зонами, определяемыми тектонической структурой массива горных пород.
-
Разработаны геоинформационные модели тектоники горного массива, подчиняющиеся изменению скорости фрактального роста структур в синерге-тическом режиме, определяемые через коэффициент масштабного подобия между элементами смежных структурных уровней.
-
Предложен метод прогноза геомеханического состояния горных массивов, который позволяет выявлять пространственное положение средне- и высоконапряженных зон и районировать золоторудные месторождения. Дан прогноз геомеханического состояния горных массивов и пространственного положения средненапряженных и высоконапряженных зон для основных золоторудных месторождений Забайкалья, Сибири и Урала.
-
Дана классификация золоторудных месторождений по условиям залегания и характеристике вмещающих пород и установлены величины углов сдвижения горных массивов.
-
Разработаны методики определения параметров возможного сдвижения и обрушения пород в горных выработках и очистных камерах с учетом плоскостей ослабления в породах с тектоническими нарушениями, трещинами, зонами рассланцевания, уточнены способы управления процессами сдвижения.
-
Установлены закономерности формирования напряжений в средненапряженных зонах массива при разработке крутопадающих золотоносных жил и даны рекомендации по управлению горным давлением в этих условиях. Разработан метод расчета размеров устойчивости целиков, учитывающий результирующие величины напряжений от совместного действия первоначальных вертикальных и горизонтальных напряжений массива горных пород в условиях неравномерного распределения запасов в недрах.
-
Предложен метод управления напряженным состоянием отдельных конструктивных элементов разработки с магазинированием руды путем замены рудных целиков искусственными и разгрузки их щелями, защищенный авторским свидетельством. Это позволило рекомендовать к применению на больших глубинах (более 700 м) в условиях повышенного горного давления более эффективные варианты системы разработки с магазинированием руды.
-
Обоснован методологический подход к научному обоснованию рациональных способов погашения подземных пустот с учетом выявленных законо-
мерностей распределения природных и техногенных напряжений в подрабатываемом горном массиве, позволяющий обеспечить безопасное ведение горных работ и избежать техногенных катастроф.
Личный вклад автора состоит: в выявлении проблемы и обосновании направлений ее решения, формулировке рабочих гипотез; постановке и проведении научных исследований; разработке методик лабораторных и производственных экспериментов; в руководстве и непосредственном участии в исследованиях; обработке полученных результатов и их обобщении; обосновании методов управления геомеханическими процессами; разработке технологических схем и их конструктивных параметров; испытании и внедрении результатов исследований и разработок в промышленном масштабе.
Практическая значимость результатов исследований
-
Определены тектонические структуры, физико-механические свойства и первоначальное напряженное состояние массива горных пород основных золоторудных месторождений Урала, Сибири и Забайкалья.
-
Установлены границы зон влияния подземных разработок на земную поверхность и обоснованы меры охраны и условия безопасной подработки зданий, сооружений и природных объектов.
-
Разработан способ штангового крепления горизонтальных горных выработок с учетом напряженного состояния пород и пространственного положения сопряженных тектонических трещин, защищенный авторским свидетельством.
-
Обоснованы параметры крепления очистного пространства деревянной крепью и гидравлическими стойками типа ELBROC OMNI 80 с учетом зон рас-сланцевания непосредственной кровли при разработке наклонных жильных месторождений. Использование этих результатов позволяет производить выемку целиков и повысить извлечение запасов из недр.
-
Разработана эффективная технология отработки маломощных жил наклонными уступами в широком забое с креплением очистного пространства при периодической локализации пустот, обеспечивающая безопасность работ и сокращение потерь в недрах.
-
Обоснован метод определения параметров целиков при разработке крутопадающих месторождений малой и средней мощности системами с открытым выработанным пространством и с магазинированием руды, использование которого дает возможность оставлять целики минимально допустимых размеров. Разработанные рекомендации позволили вовлечь в работу дополнительные запасы руды, законсервированные в целиках.
-
Предложен метод определения параметров целиков при разработке мощных месторождений камерными системами с двухстадийной выемкой, ис-
пользование которого дает возможность определять наиболее рациональный порядок выемки запасов и отработки целиков, обосновать элементы комбинированного управления горным давлением.
-
Разработаны технологические схемы ведения очистных горных работ с податливыми целиками при выемке крутопадающих рудных тел средней мощности в условиях высокого горного давления, обеспечивающие повышение эффективности и безопасности добычи руды.
-
Разработан комплексный подход к обоснованию способов погашения подземных пустот, учитывающий: наличие охраняемых объектов в шахте и на земной поверхности; тектоническую и техногенную нарушенность массива; упругие и прочностные свойства пород; напряженное состояние в конструктивных элементах систем разработки; опасность скорости движения воздуха и его давления при возможных обрушениях пород; фактор времени и др. Такой подход позволяет выбирать наименее трудоемкие и дешевые способы погашения пустот, своевременно разрабатывать мероприятия по управлению сдвижением и горным давлением массива, предупреждать горные удары.
Реализация работы. Разработаны методические и нормативные документы по управлению геомеханическими процессами на золотодобывающих рудниках, рекомендованные органами Ростехнадзора для практического применения предприятиями Союззолото, Главалмаззолото, а также проектными и производственными организациями:
-
Временные правила охраны сооружений, природных объектов и горных выработок от вредного влияния подземных горных разработок на золоторудных месторождениях. Правила используются на Березовском, Советском, Кочкарском, Миндякском, Наталкинском, Тасеевском, Кызыл-Алмасайском, Кочбулакском, Коммунаровском золоторудных месторождениях, а также на месторождениях с неизученным характером процессов сдвижения. Применение этих Правил позволяет повысить эффективность и безопасность ведения горных работ.
-
Временное руководство по определению параметров целиков на Березовском месторождении, которое позволило повысить устойчивость элементов систем разработки, уменьшить потери руды в целиках на 3-5% и снизить разу-боживание руды, вовлечь в добычу временно неактивные запасы. Экономический эффект от реализации руководства составил 8,1 млн.рублей.
-
Временные указания по безопасному ведению горных работ на ударо-опасных участках Березовского месторождения.
-
Заключения по погашению подземных пустот на Березовском месторождении, внедрение которых позволило погасить способом локализации без закладочных работ 313,6 тыс.м подземных пустот, за счет чего снижена себе-
стоимость продукции. Фактический экономический эффект от реализации составил 16,4 млн.рублей.
-
Указания по безопасному ведению горных работ на Дарасунском месторождении, склонном к горным ударам, позволившие повысить эффективность и безопасность ведения горных работ на больших глубинах (400-700 м и более).
-
Методические указания по определению конструктивных параметров систем разработки на ООО «Дарасунский рудник».
-
Методика прогноза геомеханического состояния и выявления высоконапряженных зон горного массива на основе оценки его геологической структуры и трещиноватости для условий Зун-Холбинского месторождения.
-
Временные указания погашения выработанного пространства методом локализации бутовыми полосами при выемке целиков на жилах Ирокиндинско-го рудного поля. Использование этих указаний позволило отказаться от способа поддержания очистного пространства костровой крепью и рудными целиками. Дополнительно вовлечено в добычу 127,4 тыс.т временно законсервированной руды в целиках, извлечено 1616,6 кг золота.
-
Временная методика расчета параметров крепления кровли гидравлическими стойками ELBROC OMNI 80 при выемке целиков на руднике Ирокин-да. Использование методики позволило повысить безопасность ведения горных работ при выемке целиков, ремонтах крепления горных выработок и очистных камер.
-
Временная техническая инструкция по созданию изолирующих бутовых полос при погашении выработанного пространства способом локализации на жилах Ирокиндинского рудного поля.
-
Методические указания по определению конструктивных параметров систем разработки на руднике Ирокинда ОАО «Бурятзолото». Применение указаний позволяет повысить эффективность и безопасность ведения горных работ. Суммарный экономический эффект от реализации технических решений на руднике составил 44,3 млн. рублей /год.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на: научно-технических конференциях горного факультета Иркутского государственного технического университета (г.Иркутск, 1976-2006 гг.); VI Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (г.Новосибирск,
-
г.); VI Всесоюзной конференции по механике горных пород (г.Фрунзе,
-
г.); Всесоюзной конференции Минцветмета СССР «Методы и технические средства контроля и прогнозирования горного давления на подземных рудниках цветной металлургии» (г. Свердловск, 1979 г.); Всесоюзной школе Минцветмета СССР «Применение средств контроля и обеспечения устойчивости
кровли горных выработок и целиков» (г.Кентау, 1980 г.); Всесоюзной школе Минцветмета СССР «Обеспечение устойчивости кровли горных выработок и целиков» (г.Кентау, 1982 г.); VIII Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и способов охраны капитальных и подготовительных выработок (г.Якутск, 1982 г.); Всесоюзной конференции Минцветмета СССР «Основные направления и меры по ускорению научно-технического прогресса в золото- и алмазодобывающей промышленности на период до 2000 г.» (г.Москва, 1985 г.); VII Международном конгрессе по маркшейдерскому делу (г.Ленинград, 1988 г.); IX Всесоюзной конференции по механике горных пород (г. Фрунзе, 1989 г.); Международной конференции "Геомеханика в горном деле" (г.Екатеринбург, 1996 г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений: современное состояние и перспективы решения (г.Мирный, 2001); Международной научно-технической конференции, посвященной столетию со дня рождения М.И. Агошкова (Москва, ИПКОН, 2005 г.); научно-технической конференции «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2006, 2007 гг.).
Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано 39 работ, в том числе, 11 статей - в научных журналах, рекомендованных ВАК России, монографий -2, авторских свидетельств на изобретения -2, в прочих изданиях -24 работы.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 257 наименований и 4 приложений. Работа представлена на 331 страницах машинописного текста, содержит 91 рисунок, 40 таблиц и приложения на 12 страницах.
Особенности разработки золоторудных месторождений и проблемы управления геомеханическими процессами на подземных рудниках
Анализ литературных источников [45,106,129-131,168,169,174-176,230-238,253 и др.] позволяет отметить следующее. Поля концентрации рудного вещества на золоторудных месторождениях обладают следующими свойствами - дискретность и упорядоченность; - масштабное подобие структуры в широком иерархическом диапазоне уровней пространственного формирования; - структурная автономия; - нелинейность изменения метрических характеристик элементов структуры в иерархически ранжированных рядах уровней пространственного формирования; - ранговая изометрия структурных матриц, контролирующих пространственное размещение элементов поля концентрации золота на каждом иерархическом уровне.
Дискретность и упорядоченность. Эти свойства выражены в том, что признаковое поле неоднородно и состоит из пространственно разобщенных элементов (модальных участков на картах, в изолиниях или морфологических деталей), группирующихся в последовательно входящие друг в друга также разобщенные обособления (таксоны). Сама по себе прерывистость поля уже является признаком упорядоченности, т.е. наличия структуры поля. В геологической среде основу такой структуры составляют "ячейки" и "решетки" различных геометрических модификаций.
Для морфологических подсистем упорядоченность выражена в большей мере в виде линейно-полосчатых, линзово-ячеистых или линзово-чешуйчатых, линейно-рядных и нелинейно-рядных узоров в распределении пространственно обособленных элементов. Для одиночных жил с изменчивой мощностью характерны решетчатые и ячеистые (каркасные) структуры. Упоря 23 доченность морфологических формирований на уровне текстуры руд достаточно хорошо известна, и здесь не требуется каких либо дополнительных доказательств.
Дискретный и упорядоченный характер распределения удельной концентрации тектонических нарушений в крупных разломах и разломных зонах, подобный распределению удельной трещиноватости в рудных монолитах, установлен P.M. Лобацкой [109].
Масштабное подобие. Свойство масштабного подобия (скейлинг) структурного узора монопризнаковых полей на различных иерархических уровнях достаточно отчетливо проявляется при изучении подсистем концентраций золота. Оно выражается в схожести структур разномасштабных элементов как в условиях преобладания решетчатых, так и в условиях ячеистых (каркасных) и комбинированных модификаций этих структур [168,169,230-238 и др.].
Структурная автономия. Свойство структурной автономии монопризнаковых полей заключается в пространственной несовместимости их структурных матриц, контролирующих размещение эпицентров аномальных участков в каждом из них. Это свойство обнаруживается в процессе реализации принципа элементаризации объекта исследования или принципа абстрагирования при расчленении его на частные геологические пространства. Так, конкретно для золотокварцевых жил характерной является структурная автономия подсистем распределения модальных значений мощности жилы и концентраций золота, хотя обе они сосредоточены в пределах одной и той же жильной полости, являясь как бы "вложенными" друг в друга. Данная особенность проявляется и в том, что максимумы концентраций различных химических элементов в пределах рудных аномалий, как правило, не совпадают, или выявленные закономерности формирования монопризнаковых подсистем не согласуются со структурой вмещающей среды.
Нелинейность. Это свойство заключается в нелинейном (субэкспоненциальном) характере взаимосвязей между количественными параметрами структурообразующих элементов различных уровней в подсистемах. Это свойство ярко проявляется в графически выраженных зависимостях между размерами элементов последовательных уровней формирования структур в монопризнако 24 вых полях, в ранжировке основных минеральных компонентов внутрижильного пространства по плотности и по их объемной массе (например: кварц, сульфидные минералы, золото; здесь плотности нелинейно возрастают, а массы этих компонентов также нелинейно убывают)[16,89,233].
Ранговая изометрия. Свойство ранговой изометрии полей концентрации золота (ПКЗ) заключается в том, что для золоторудных месторождений различных морфогенетических типов размеры ячеек структурных матриц одного масштабного ранга в рудном теле (зоне), как относительно однородном геологическом пространстве, в среднем одинаковы, т.е. структурные матрицы ПКЗ одного и того же масштаба независимо от типа месторождения изометричны [233]. Это свойство установлено эмпирически на основе статистической обработки морфометрических характеристик ПКЗ базовых месторождений, в качестве которых использованы размеры периодов появления мод на разномасштабных картах ПКЗ по простиранию и по падению рудных тел. Этим же свойством обладают поля удельной концентрации деструктивных элементов [233]
Универсальный характер формирования геологических объектов. Выявленные свойства признаковых подсистем золоторудных месторождений порождены их прерывистостью. Сам факт их существования свидетельствует о том, что исследованные пространственные формирования являются аналогами физических полей. Точнее, это материализованные каким-либо веществом или свойством их пространственно-временные отображения, дискретно проявленные в процессе эволюции активных физико-химических систем в энергетически возбужденных пространствах.
Явление структурной упорядоченности транслируется практически на все иерархические уровни: от кристаллической решетки минерала (возможно и от более детальных уровней) до планетарных структур [18-19, 109,230-238 и др.].
Дискретность и упорядоченность объектов на всех уровнях являются отображением их структуры, поэтому представляют собой прямое свидетельство нэгэнтропийного развития формирующих их физико-химических систем, когда процесс идет с поглощением (минимизацией или диссипацией) свободной энергии. Возникающие при этом структуры являются диссипативными. Рассмотренные свойства, являются прямыми признаками саморазвития формировавших их рудогенных процессов. Такой процесс возникает в особых термодинамических условиях: а) система открытая; б) режим развития системы динамически - нелинейный; в)отклонение системы от энергетического равновесия выше критического. Эти условия в целом характеризуют синергетиче-ский режим на прогрессивном этапе развития системы, сопровождающийся кооперативным взаимодействием ее компонентов на принципе энергетической конкуренции.
Физико-механические свойства горных пород
По данным анализа ИГД УрОРАН [38] фактические вертикальные напряжения в 1,1-2 раза выше теоретических литостатических напряжений. Горизонтальные напряжения оказались больше, чем по гипотезам А. Гейма и А.Н. Динника, соответственно в 1,2-3,5 и 3,5-10 раз. Такое несоответствие фактических напряжений горного массива с теоретическими подтверждается работами Айтматова И.Т., Егорова П.В., Маркова Г.А., Турчанинова И.А., Шаманской А.Т., Ялымова Н.Г. и др.
Хает Н. и Нильсон Т. по данным измерений на 17 рудниках Швеции, Норвегии, Финляндии установили, что сумма горизонтальных главных напряжений СГ7+СГ2 в несколько раз больше суммы горизонтальных напряжений по А.Гейму и А.Н.Диннику [38,77,250].
Влох Н.П., Зубков А.В., Щуплецов Ю.П. [38,77,250] в напряженном массиве пород, когда горизонтальные напряжения выше вертикальных, расчет устойчивости целиков, имеющих лишь две плоскости обнажения, предлагают вести не на вертикальную, а на горизонтальную нагрузку или же от совместного действия этих сил. Для условий отработки мощных железорудных и наклонно-падающих месторождений Урала и Казахстана был разработан ряд формул инженерных расчетов целиков, позволяющих уточнять и более надежно определять их параметры. Однако применение этих формул затруднительно для расчета целиков при отработке золоторудных месторождений, где закономерности распределения напряжений вокруг выработок отличаются от условий изучаемых авторами.
Борисенко С.Г., Жуков В.В, Руппенейт К.В., Чернов Е.В., Зотеев О.В. и др. разработали ряд аналитических методов расчета целиков, в частности, метод конечных элементов [23,68,91,156,157,77]. Машуков В.И. [77] разработал метод граничных интегральных уравнений, Эти методы могут учитывать максимальное число факторов, определяющих устойчивость целиков.
В целом обзор и анализ литературных источников и научно-техническое обобщение ранее выполненных исследований горного давления позволяет сделать следующие выводы
1. Вопрос об определении устойчивых размеров целиков исследовался многими авторами, отсюда большое число методов и методик их расчета. Большое распространение имеют методы расчета на прочность подземных конструкций, основанные на определении напряжений вокруг горных выработок с использованием теории упругости, моделирования, замеров в натуре. Прочность конструкций, как правило, оценивается путем сопоставления напряжений, возникающих в наиболее опасных их зона в,сравнении с допустимыми. Однако эти методы далеко не полностью решают поставленный вопрос. Среди известных методов расчета нет ни одного, который бы отвечал всем требованиям практики. Обычно предлагаемые методы применимы для какого-то одного или ряда однотипных месторождений. Это обуславливается, по-видимому, разнообразием горно-геологических условий месторождений: элементами залегания и размерами рудных тел; тектонической структурой, физико-механическими свойствами и напряженным состоянием горного массива; геометрическими параметрами выработок и целиков; временем отработки запасов.
2. В условиях многогоризонтной и выборочной выемки запасов, характерных для золотодобывающих предприятий, применяют инженерные методы расчета целиков. За основу берутся формулы академика Шевякова Л.Д. [77, 82], с определением коэффициентов, учитывающих размеры, угол падения залежи и другие факторы. Известны методики Борисенко С.Г., Гаркуши Г.С., Ильштейна A.M., Либермана Ю.М., Нестеренко Г.Т. и др. Однако, по этим методикам не всегда можно определить рациональные параметры целиков. В них не отражается зависимость взаимного влияния междуэтажного и междукамерного целиков на их несущую способность. Определение размеров целиков ведется от геометрически суммарного действия вертикальных и горизонтальных напряжений ("средних нормальных напряжений"), хотя известно, что они часто уменьшают действие друг друга, особенно вблизи выработок. Такой подход к расчету целиков при отработке ценных руд, содержащих золото, может привести к определению неоправданно завышенных их размеров.
3. Для массивов рудных месторождений наряду с гравитационными (ли-тостатическими) напряжениями характерно наличие значительных, намного превышающих их, напряжений тектонического происхождения. В таких случа 47 ях расчеты целиков следует вести с учетом фактических величин первоначальных напряжений, как и предлагают Айтматов И.Т., Влох Н.П., Курленя М.В., Зубков А.В., Щуплецов Ю.П. и др. Для условий разработки золоторудных месторождений расчетные определения параметров целиков с учетом фактических гравитационно-тектонических напряжений не проводились.
4. Обоснование и разработка методов и методик расчета, позволяющих достаточно точно определить размеры целиков с учетом максимального количества действующих факторов, требует проведения исследований в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.
Установлено, что основными факторами, обуславливающими проявления горных ударов, являются способность пород к хрупкому разрушению и наличие в горном массиве высоких напряжений. Вследствие дискретного распределения напряженного состояния горный массив характеризуется устойчивым и неустойчивым геомеханическим состоянием. При неустойчивом состоянии происходят процессы саморазрушения горных пород. Саморазрушение горного массива происходит в виде трещинообразования. При достижении пороговой концентрации трещин процесс переходит в лавинообразное разрушение, приводящее к разрыву или сдвигу пород большой протяженности с выделением мощных импульсов упругой энергии [17,36,38,64,85,139-142]. На региональных участках земной коры происходят землетрясения, на локальных участках (месторождение, шахтное поле) - горные удары.
Процессы трещинообразования наблюдаются повсеместно и постоянно и создают тектоническую структуру земной коры. Землетрясения происходят довольно часто, примерно 10-11 тыс. в год, в том числе более 1000 - крупных (более 5 баллов по шкале Г. Ф. Рихтера) [38,150,221]. Катастрофические землетрясения вызывают значительные разрушения и жертвы. Например, в 1556 г. в китайской провинции Шэньси погибло 830 тыс. человек, в 1908 г. в Мессине (Италия) - 120 тыс., в 1923 г. в Токио - 143 тыс. На территории бывшего СССР катастрофические землетрясения происходили в Ашхабаде, Ялте, Ташкенте, Спитаке и т.д. Первые горные удары произошли на оловянных рудниках Англии в 1738 г. Во второй половине 19 века горные удары стали отмечаться при разработке угольных месторождений в странах западной Европы. В СССР первые горные удары отмечены в 1944 году на шахтах Кизеловского каменноугольного бассейна [139]. К настоящему времени институтом ВНИМИ и Госгортехнадзо-ром РФ к категории склонных и опасных по горным ударам отнесено более 45 рудных месторождений, в том числе Октябрьское (Норильский ГОК), Николаевское, Южное (ОАО «Дальполиметалл»), Таштагольское и др. [85]
Закономерности формирования структур безрудной тектоники
Месторождение характеризуется сложной тектоникой. Тектонические особенности массива определяются в первую очередь развитием в его пределах большого количества трещин, зон смятия, разрывных нарушений. Исследованиями выявлено до 9 систем трещин. По степени устойчивости пород балансовые запасы рудника классифицируются следующим образом: устойчивые - 18,1 %, неустойчивые 39,4 %, весьма неустойчивые - 43,5 %.
На месторождении отмечено более 40 случаев саморазрушения горных пород в виде горных ударов (интенсивное заколообразование, «шелушение», «стреляние», микроудары).
Дарасунское месторождение разрабатывается подземным способом с 1930 года. Месторождение вскрыто тремя эксплуатационными стволами шахт («Центральная», «Восточная», «Юго-Западная») и тремя вспомогательными (№14, №10, «Слепая»).
Для месторождения характерна многогоризонтная (разрабатывается до 8 горизонтов одновременно) и выборочная выемка запасов.
Высота этажа принята 50 м. Квершлаги пройдены без крепления, в местах тектонических нарушений закреплены деревянной крепью с закладкой пустот в кровле. Откаточные штреки пройдены по рудному телу. В местах ведения очистных работ предусмотрено крепление штреков неполными дверными окладами с установкой люков через 1,5-2,0 м для выпуска руды.
Основной системой разработки является система с магазинированием руды в двух вариантах: с креплением и без крепления очистного пространства. Выемка руды осуществляется лентами (по терминологии рудника). Блок по простиранию разделяется на ленты, которые отрабатываются по восстанию мелкошпуровой отбойкой слоями высотой- 1,2-1,5 м. Ширина лент от 10-15 до 20-35 м. Между лентами проходится восстающий, который закрепляется сплошной врубовой крепью. В одном блоке обычно от 3 до 10 лент. Отработка лент ведется в основном без оставления целиков, иногда оставляются нерегулярные целики с непромышленными или безрудными запасами. При доработке лент оставляется потолочина высотой 2-4 м. Отработка этажа производится снизу вверх. Порядок отработки - по простиранию от центра к флангам, иногда применяется комбинированный. Глубина горных работ достигла 700 м. Советское месторождение расположено в п. Северо-Енисейск Красноярского края. Основные горные работы ведутся на его юго-восточном фланге (VI рудная зона). Этот участок месторождения представлен золотосодержащими кварцевыми жилами, залегающими в пределах монотонной толщи филлити-зированных сланцев, относимых к удерейской свите позднего протерозоя. Интрузивные породы в пределах рудного поля не встречены.
Толща сланцев характеризуется значительной дислокацией. Она собрана в протяженные складки северо-западного (СЗ) простирания, которые осложнены складками более высоких порядков вплоть до плойсчатости и наложением поперечной складчатости. По размерам выделяются складки, условно относимые к разным порядкам: складки II порядка, с размахом крыльев 200-300м, складки III порядка с размахом крыльев 20-40м и более мелких.
Золотосодержащие кварцевые тела, определяющие морфологию рудных тел, разноооразны по размерам и форме и представлены преимущественно согласно-складчатыми и секущескладчатыми кварцевыми телами, локализированными в замках и крыльях складок Ш и более высоких порядков. Поэтому промышленные рудные тела имеют сложную форму без визуальных геологических границ. Их контуры устанавливаются по данным опробования по принятым минимально-промышленным содержанием золота. Содержание кварца в рудных телах колеблется в пределах от 10-20 до 50-70% и в среднем составляет порядка 40-50%.
Советское месторождение характеризуется сложной тектоникой. Тектонические нарушения и трещины относятся к двум разновозрастным группам. Первая группа - это синскладчатые и позднескладчатые разрывные трещины кливажа послойного течения и осевой плоскости складок массива горных пород. Общее направление простирания трещин кливажа СЗ (азимут 330-340), преобладающее падение крутое СВ реже ЮЗ, углы падения 60-80. Разрывные нарушения второй группы являются постскладчатыми и пострудными и определяют разрывной блоковый характер структуры месторождения.
Наблюдения за обрушениями и смещениями пород показывают, что наибольшее влияние на эти процессы оказывают системы разрывных нарушений. Запасы месторождения отрабатываются более 70 лет. VI рудная зона вскрыта двумя вертикальными стволами шахты № 5 и шахты Капитальная до горизонта 500 м. Отработка запасов проводится двухстадийной камерной системой разработки с валовой отбойкой руды. Вначале отрабатываются камеры, а затем междукамерные целики и потолочины. Камеры нарезают, главным образом, вкрест простирания рудных тел отрабатывают системой разработки горизонтальные слои с закладкой, междукамерные целики и потолочины - слоевым обрушением и системой подэтажного обрушения. Системы разработки усовершенствуют при использовании самоходного бурового и погрузодоставочного оборудования.
Основные параметры систем разработки характеризуются следующими величинами. Высота этажа принята 50 м. Длина камер и междукамерных целиков (МКЦ) ограничивается шириной рудных тел или зон. Ширина камер приблизительно равна ширине МКЦ и в зависимости от устойчивости пород принимается 7-15 м. Толщина потолочин обычно составляет 6-10 м. Отбойка руды чаще производится шпурами, реже глубокими скважинами.
При отработке горизонтов 240-290 м и ниже стали отмечаться проявления горного давления: заколообразование, пучение почвы, раскрытие полостей трещин, обрушение кусков породы и разрушение отдельных участков целиков.
Зун-Холбинское месторождение расположено в системе каледонид Восточного Саяна в северо-восточной периферической части Гарганской глыбы, составляющей ядро субширотного Гарган-Бутугольского антиклинория. В структурном плане месторождение приурочено к Самарта-Холбинской зоне разломов. В металлогеническом отношении оно входит в состав Холбинского рудного поля Урик-Китойской зоны Гарганского золоторудного района.
Меры охраны и условия безопасной подработки зданий, сооружений и природных объектов
Для решения задач прогноза и управления геомеханическим состоянием горного массива, в котором сосредоточены горные работы, очень важно знать структуру его естественной напряжённости. Без этой информации практически невозможно разработать корректные решения по прогнозу и управлению горным давлением в процессе проведения подземных горных работ. К сожалению, современные решения этих задач разрабатываются в основном без учёта этой информации.
Автором дано теоретическое обоснование решения данной проблемы в условиях подземных работ на разрабатываемых золоторудных месторождениях на основе концепции саморазвития тектонических структур горных массивов [9,10,16,18,34,69,78,89,100,101,109,129-131,133,135,161,171,174-177,211,227-240,251].
Как известно, в литосферных условиях постоянно совершаются процессы гравитационного сжатия и расширения, т.е. уплотнения и разуплотнения вещества на всех уровнях его формирования в стремлении геологической среды к устойчивому энергетическому состоянию. Это основной механизм сохранения энергии этой среды в состоянии гомеостаза или "текущего равновесия", когда она является критически неравновесной. Неравновесие выражается в том, что в условиях разуплотнения (гравитационного расширения) отдельные и, как правило, относительно небольшие по размерам участки литосферы (или отдельного массива) испытывают «дефицит массы» и в них параллельно формируется более плотное вещество, в котором как бы «упаковывается» свободная энергия в условиях жёсткой локализации пространства её сосредоточения. При гравитационном расширении свободная энергия рассредоточивается в пространстве и тратится в основном на создание сложной структурно организованной системы деструктивных элементов (трещин). В местах их сосредоточения в межпустотном пространстве возникают аномальные поля напряжений в породе. Причём, чем выше удельная концентрация пустот или деструктивных элементов, тем выше величина напряжений в ненарушенных блоках, ограниченных этими элементами. Массив в подобных участках приобретает высокую степень контрастности относительно напряжённости. Именно в этих участках происходит общая разгрузка Напряжений в массиве в синергетическом режиме и за счёт этого он остаётся в устойчивом состоянии. Так формируется структурированное по интенсивности поле напряжений в массиве, т.е. происходит его дифференциация на высоконапряжённые и средненапряжённые участки, причём по объёму на первые приходится около 40%. Механизм подобного процесса практически не изучен. Обычное механическое сжатие (в том числе литоста-тическое сжатие под действием массы горных пород) и растяжение в результате механического перемещения масс вещества в земной коре являются частными случаями этих процессов. Это типичные реологические процессы структурирования геологической среды в литосферном пространстве, которые порождают известные гравитационно-тектонические напряжения.
На данный момент наиболее изученными являются процессы разрушения. Именно в этом контексте на основе теоретических обобщений и исследования закономерностей формирования структур полей удельной концентрации деструктивных элементов (безрудных тектонических разломов, трещин) как маркеров разуплотнения среды, и рудного вещества (рудных тел, зон, жил) как признака, выражающего тенденцию к уплотнению среды, рассматривается проблема взаимосвязи процессов саморазрушения и созидания в геологической среде.
В природе существуют две взаимосвязанные модели процесса разрушения, если рассматривать этот процесс с точки зрения причины. Первая отображает случай, когда приток энергии, направленной на разрушение, идёт извне (например, сжатие под непосредственным механическим влиянием внешних сил, скручивание и т.п.), вторая - когда энергия разрушения идёт изнутри системы (за счёт избытка внутренней энергии при резком снятии внешнего напряжения, например, в случае "горного удара" и др.). Проблема разрушения с позиций синергетики в последнее время достаточно эффективно изучается в области материаловедения, причём исследуется в основном только процесс разрушения под влиянием внешних воздействий на разрушающуюся среду (вещество) [211,228]. Любые области горного массива изначально неоднородны. Каждая из них может быть разбита на отдельные участки, которые называют элементами структуры или структурными элементами. Причём, в горном массиве одновременно присутствует несколько уровней структуры. При этом элементы более низкого уровня являются составными частями для элементов более высокого уровня.
Структура массива, прежде всего, определяется соотношением пространств, в которых сосредоточено более плотное и менее плотное вещество. Последнее определяется не только скоплением вещества с пониженной плотностью, но и скоплением признаков механического разуплотнения, т.е. повышенной удельной трещиноватости.
Важной характеристикой тектонической структуры является концентрация трещин. Под концентрацией трещин понимают суммарную длину трещин в соответствующих площадях горного массива. Пластическая деформация начинается в тот момент, когда трещиноватость становится настолько высокой, что расстояние между трещинами снижается до критического значения, ниже которого они начинают активно взаимодействовать между собой. В массивах горных пород это типичные реологические процессы структурно вещественных превращений, сопровождаемые физико-химическими, механическими и другими явлениями, т.е. движением или коллективными эффектами. Они происходят на различных масштабных уровнях и в различных координатах времени.
